基于LIBS技术的钢水成分检测优化研究

　　[摘 要]钢铁行业作为推动我国国民经济的重要支柱型产业，对我国总体经济水平的提升具有重要意义。在炼钢工艺流程中，最为重要的工作环节之一就是检测并控制钢水中的化学成分。所以，优化钢水成分检测非常重要。在此背景下，文章简要阐述了LIBS技术在钢水成分检测中的应用原理及其优势，并針对钢水成分定性检测以及定量检测的优化方法进行分析，希望能够为相关工作者提供一点参考。
　　[关键词]LIBS技术；钢水成分检测；优化方法
　　中图分类号：S155 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0178-01
　　引言
　　在炼钢工艺中，精确控制钢水中的化学成分是非常重要的，这对于保证钢铁质量以及应用性能具有重要意义。然而，我国国内一些企业钢水成分检测流程仍较为复杂，信息化水平不高，使得制样时间长，人力、物力消耗量大，不能准确分析钢水成分并进行及时调整，从而造成不必要的经济损失。因此，研究LIBS技术下钢水成分检测优化方法非常有必要。
　　1 LIBS技术应用原理
　　物质的基本粒子原子、离子在受到能量冲击后称为激发状态，激发状态发射出的能量有三种方式：荧光辐射、光吸收、光辐射。所以被激发的原子光谱的组成有：原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱三部分。LIBS就是典型的原子光谱分析法之一。LIBS测量原理图如图1所示。激光器发射出激光，经由聚焦透镜聚焦到样品表面，聚焦点受能量冲击后被激发产生等离子体。等离子体发射出的光谱被光纤收集传送到光谱仪，光谱仪首先进行分光，然后检测光谱，将光谱信号转换成数字信号，并且传给电脑进行数据分析。各个元素有其独特的谱线，根据谱线波长确定元素种类，根据光谱强度确定元素浓度。
　　2 LIBS技术在钢水成分检测中的优势
　　LIBS技术应用在钢铁产业可以及时控制、调整钢水的成分比例，从而可以很好地提升钢铁产品的质量。LIBS技术在炼钢过程中有着非常明显的优点：第一，发射的每个脉冲都能得到对应的光谱，具有快速性、时效性；第二，检测样品损耗小；第三，激光器发出的激光可以通过聚光系统将光束聚焦在远处，所以有可远距离测量、非接触测量的优势；第四，样品不需要经过处理，并且可以同时检测样品中的多种元素。
　　3 钢水成分定性检测优化方法分析
　　当钢水表面层遭受激光能量的冲击时，就会产生等离子体，从而发射出不同波长的谱线，这时光谱仪进行分光、收集光谱，并将这些图像传输到计算机中，随后根据谱线波长来确定对应的元素，进而确定钢水成分中所含有的不同金属元素。这一过程就是钢水定性检测过程。元素定性分析有下面几种：
　　3.1 标谱对比法
　　使用标谱对比法的依据是检测的物质中必须有指定成分，将含有指定元素成分的试样和被检测试样物质，设定在同一条件进行激光诱导实验，分析两者得到的元素谱线，看是否有同一种谱线，以此方法来判断属于某种元素是否存在。
　　3.2 铁谱比较法
　　一般情况下，业内人士会选用铁谱作为比对标准谱，这是由于铁谱具有以下几点优势：第一，铁谱谱线较多；第二，铁谱谱线之间的间隔较为均匀，这在一定程度上方便了对照；第三，标定准确性高。铁谱中的每一条谱线波长都已经被准确测量过。在谱线检测过程中，把待检测物质样品和纯铁放在同一实验条件环境下，进行物质元素激发，把得到的元素谱线进行放大对比，将实验得到的铁元素谱线图与元素标准光谱图进行重叠比较，然后看其它元素的谱线是否与元素标准光谱图中的谱线趋势有重叠，如果有重叠的地方，则可能有该种元素。实验中得到的谱线都可用此法进行灵活的对比，来验证存在的元素种类。铁元素谱线比较法可以校验多种不同的元素，方法灵活便捷，应用比较普遍。
　　4 钢水成分定量检测优化方法分析
　　现阶段，基于LIBS技术的定量检测方法包括：外标法、内标法以及自由定标法。这些方法都有其自身的优势以及缺点，下面对这三种方法进行介绍。第一，外标法。外标法是LIBS技术中进行钢水定量检测的一种方法，但是其不会用到纠正因子，原理模型较为简单；第二，内标法。外标谱线进行对比测量元素的测量方法实验条件要求严格，很难保证进行实验时测量条件都相同，因此难免会造成实验结果有一定的偏差，而内标法正好克服了这一难点，内标谱线法比外标谱线法更加精确，适用性大；第三，自由标定法。自由定标法在实验中，不用对待测样品中的元素模拟出定标曲线，依据谱线的相对强度比，直接计算出样品物质中元素的百分含量。此方法有三个条件需要满足：受外界能量冲击产生的元素等离子体能全面的反应样品物质的成分组成；等离子体在高温环境下处在热平衡状态；忽略等离子体的元素谱线自身的自吸收效应。通过相关研究发现，自由定标谱线法比内标、外标谱线法更加简便直接，成本相对较低，而且可以进行全元素测量，其在钢水中Mn元素的定量检测中应用较为广泛。
　　总结语
　　总而言之，通过对LIBS检测技术的分析可以得知，LIBS光谱检测技术具有检测效率高、时效性强、样品损耗小、测量距离远等多重优势。所以，该技术在炼钢领域具有巨大的应用潜力，其在提高钢铁产品质量以及效率方面也具有重要意义。为此，相关技术人员应更加深入地研究LIBS技术下钢水成分检验优化方法，进而推动我国钢铁行业蓬勃发展。
　　参考文献
　　[1] 王维国.基于LIBS钢水成分在线检测系统[D].华北理工大学，2017.
　　[2] 于云偲，潘从元，曾强，杜学维，魏珅，王声波，王秋平.利用LIBS技术实现钢液中多元素含量检测[J].光谱学与光谱分析，2016，36（08）：2613-2616.
　　[3] 马翠红，肖磊.基于LIBS技术的钢水中Mn定量分析优化方法[J].华北理工大学学报（自然科学版），2016，38（03）：9-13.

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